磁带机的"石英锁相"伺服原理（以SONY WM-DC2为例）

david-ease

论坛上，经常看到"石英锁相"、"FG伺服"、"QUARTZ伺服"、"PLL锁相环"、"无刷有刷"、"DD直驱"等等说法，当年的卡座面板也经常标榜这些技术，厂商也常以这些概念作为卖点，很多卡友对这些概念也津津乐道。但很多玩家对这些概念只是停留在字面上的理解，并没有真正理解其中的门道。下面写篇详细的帖子，以高级机的"石英锁相"为例，系统性的介绍下电机的伺服技术，让卡友知其然，也知其所以然。

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以上这样说，好像显得我技术很牛逼的样子，哈哈。也可能有些人会觉得我又不玩卡座，哪来的资格在卡座论坛讲技术？磁带机，无论是卡座还是随身听，原理都是一样的，我虽然不玩卡座，但我玩随身听，SONY DD系列随身听，10年前我刚开始玩磁带机的时候就仔细研究过，很早就把DD机的机械结构和电路原理摸透了，所以我还是有资格在这里装装逼的。不过我既不是学电子专业的，也没有从事过这方面的工作，如果下面有说得不对的地方，欢迎指正。如果能指出我知识上的盲区，我从来都是感激不尽的。        


先从最基础的知识点说起。
    1、磁带机工作时，由主导轴和压带轮夹持着磁带，靠主导轴的旋转拖动磁带经过磁头播放出声音，同时卷带轮旋转把走过的磁带卷起来。而主导轴和卷带轮的旋转，都需要靠电机来提供动力。普通的卡座，主导轴和卷带轮会共用一个电机，由皮带，齿轮，靠轮等零件来传递动力。高档一点的卡座，主导轴电机和卷带电机各自独立，互不干扰。一般来说，电机数量越多，卡座越高级，早期的卡座，还会把电机的数量标在仓门上作为一个卖点。电机当中，无疑主导轴电机对走带的稳定性影响最大，主导轴电机一直是卡座设计的关键。如果把电机的主轴直接设计为磁带机的主导轴，就不需要皮带拖动飞轮和主导轴了，这样的机器通常被称为直驱机(Direct Drive)。
    2、从电机的发展历程看，早期的电机是"有刷电机"，里面的电刷和转子会相互接触摩擦，有摩擦就会有磨损，有磨损性能就会下降。而"无刷电机"就是没有电刷，没有了接触磨损，电机寿命更长，维护也更简单。有刷电机和无刷电机，这两种电机在技术上差异较大，性能上各有优缺点。随着技术的发展，使用无刷电机直接作为卡座主导轴的"无刷直驱"(Brushless DD)就逐渐成为了高档卡座的标配。不过高档卡座也不是所有的电机都会使用无刷电机，像卷带电机，加载电机这些，对力矩要求较大，而对精度要求又不太高，这类电机通常会使用廉价的，驱动力更强的"有刷电机"。
    3、电机要转动，就得给它加电，通常加的电压越高，它转得越快，但磁带的走带，要求的是速度恒定，也就是要求主导轴电机的转速必须要精准且稳定。如果转速时快时慢，磁带机出来声音就会变得鬼哭狼嚎。电机的转速控制系统，有一个专用术语叫做伺服(SERVO)，就是"伺候，服务”电机的一套控制技术，卡座中常见的FG  SERVO、PLL SERVO、QUARTZ SERVO、PULSE SERVO等等，都是对这些不同的电机控制技术的一种简称，它们的技术原理各不相同，也彼此有联系。如何维持磁带机的走带速度稳定不变呢？最简单的方式就是不断的动态调整加在电机上的电压，如果电机转速下降了，就增大一点点电压，让它转快一点。如果转速太快了，就减少一点点电压，让它转慢一点，这是最简单朴素的电机伺服原理。
    4、正常情况下，主导轴的旋转速度直接决定了磁带的走带速度，要达到带速4.76cm/s的标准要求，以主导轴直径为2.5mm为例，那么主导轴的转速就要达到：47.6/(3.14*2.5)=6.06，即每秒钟要转6.06圈，这是磁带机的转速设计目标。为了实现带速恒定，多年来无数牛逼的科学家、工程师研究发明了很多伺服技术。其中的FG SERVO，是稍微高档一点的卡座都会采用的一种电机伺服技术。从字面上理解，FG是频率生成器(Frequency Generator)的缩写，在物理上，它是由一组线圈，磁铁构成的速度反馈装置，它通常依附在主轴机构上，它的作用是实时反馈主导轴的转速。FG的实现方式有多种，但工作原理基本一样：主导轴旋转时，FG线圈通过磁场，相当于切割磁力线，就会产生脉冲信号。主导轴转得越快，FG线圈感应出来的信号频率就越高。频率发生器(FG)的名字就是这么来的。
    5、通过FG装置检测到了跟主导轴速度成正比的脉冲信号，这只是开始，要实现精确的速度控制，还需要和基准信号做比较，才能知道速度是快了或慢了，基准信号相当于一把用来衡量带速的尺子，用它来实时检测电机的转速是否达到要求。提供这个基准信号的元件，可以是由电阻电容组成的RC振荡电路，也可以是陶瓷振子，石英晶振等等。由于石英晶振具有精度高，受温度影响小等特点，当年价格也较高，当年高端机才会使用。使用了石英晶振作为伺服元件的机器，都会自豪的在机身上标上大大的QUARTZ炫耀一下。如果卡座又是直驱的，那么一般会标上类似的QUARTZ SERVO DirectDrive等字样。
    6、锁相环PLL(Phase-Locked Loop)又是什么呢？锁就是锁定，相就是信号的相位，环就是环路。锁相环，就是以信号的相位为锁定目标实现闭环控制。PLL是一种通用的控制技术，在高档磁带机中，PLL通常是和FG，Quartz一起配合使用，也就是使用石英晶振作为基准信号源，通过比较电机转速的FG信号和QUARTZ基准信号的相位，使用PLL锁相环技术来最终锁定电机的转速不变。

        以上是高级磁带机电机伺服最基础也是最重要的知识点，如果之前不熟悉这些内容，可能会觉得越来越难懂，越看越懵逼，但没有关系，不清楚的就多读几遍，先对这些基础概念有一个基本的认识，再通过下面WM-DC2的具体例子，逐渐加深对电机伺服原理的理解。        
         WM-DC2是SONY公司在1983年推出的一款经典的随身听，是号称Professional专业级的机器，用上了当年最好的非晶磁头，搭载了杜比B,C降噪，用上了当时最先进的技术，外观设计更是经典中的经典。这机器的"卖点"在机身上也标得很清楚：
DOLBY B-C NR、CAPSTAN SERVO、QUARTZ LOCK、AMOPHOUS HEAD，
其中的主导轴伺服(CAPSTAN SERVO)和石英锁相(QUARTZ LOCK)，正是关键的电机伺服技术。


SONY的DD，不是常规意义的"直驱"Direct Drive的，而是"碟驱"DiscDrive，它的电机也不是无刷电机，而是长条形的有刷电机，这款有刷电机也被称为空心电机。所谓的空心是指转子中没有铁芯，而是由漆包线绕成圆筒形的绕组构成，这种长条状电机在随身听中都是躺着放置，通过胶圈接触，驱动飞轮和主导轴旋转。


主导轴飞轮里面还暗藏乾坤，里面有一圈金属齿，FG线圈也藏在飞轮下面，当飞轮主导轴旋转时，在FG线圈上就能感应出信号，信号频率跟转速成正比，也跟飞轮里面金属齿的数量成正比。






电路上，石英锁相芯片IC602(MSN5814)和驱动芯片IC601(CX20084)一起构成整个WM-DC2电机伺服的主要电路。




工作原理如下：
1、磁带机要求的标准转速为4.76cm/s，wm-dc2的主导轴直径是2.5mm，主导轴每转动一圈，磁带移动的距离为C=π*d=3.14*2.5=7.854mm。在标准速度下，主导轴每秒需要转动47.6/(3.14*2.5)=6.06圈，飞轮下面的FG机构的齿数有142个，主导轴每秒钟产生的脉冲数为6.06*142=860，即在标准带速下，FG线圈的输出频率应为860Hz，也就是要求石英晶振分频后的基准频率为860Hz。

2、该机器使用的石英晶振X601的频率为27.970KHz，IC602芯片内部会进行分频，按基准频率860Hz计算，芯片内部的分频比是27970/860=32，即2的5次方。

3、FG线圈输出的信号从CX20084的1脚输入，经过放大，整形，从第9脚输出，再通过MSM5814的第6脚输入，和石英晶振分频后的信号进行相位比较，从MSM5814第5脚输出控制信号到CX20084，通过Q601驱动电机。

4、石英锁相的机器，电机的转速由石英晶振的频率决定，无法通过电位器调整转速，但WM-DC2中有一个调整电位器RV601，它的用途主要有两点，一是设定锁相环的频率捕捉范围，通常是要略高于要锁定的频率，让电路能够可靠地"抓住"并锁定到目标频率上。二是断开锁相环电路后，机器还可以使用FG伺服来正常工作，变成可以调速的FG伺服控制（这也是SONY非石英锁相的DD机采用的伺服方式，比如WM-DD、WM-DDII、武道馆DD-100）。

以上是dc2电机伺服最核心的几个知识点。为了加深对石英锁相伺服原理的理解，下面对论坛上看到的相关问题，做一个探讨，当然有些问题是没有标准答案的。
1、石英锁相的直驱机，如SONY K333ESG，用标准3000Hz测试带测试，为什么带头带尾会相差较大？或带速总是会偏慢一点点?        
首先需要明确一点，石英锁相的直驱机，锁定的是主导轴的转速，但磁带的走带，还需要压带轮的配合，即使主导轴转速绝对标准，如果压带轮不给力，带速依然不会稳定。石英锁相的机器，带头带尾那一丁点负载的变化，其实影响不到石英锁相的稳定，也就是石英锁相主导轴的转速始终是标准的，如果带头带尾相差较大，首先要考虑的是压带轮状态、压带轮压力是否合格。而如果带速总是会偏慢一点点，也需要检查测试带是否过度使用了，被轻微拉长了，导致频率变低了，而不是怀疑晶振不准或怀疑SONY原本机器设计就有问题。

2、石英锁相的直驱机，主导轴磨损了变细了，磁带速度是偏快了，还是偏慢了？或者不变 ？      
首先，正常使用的情况下，主导轴是不会磨损到影响走带速度的，所以根本就不需要考虑主导轴的使用磨损会影响到带速。
假设主导轴上面有锈迹被人为磨细了一点点，那么磁带速度会变慢。可能有人会以为主导轴变细了，转速就变高了(很多随身听的主导轴都很细，转速也高)，但记住一点，石英锁相的直驱机，始终是按原始设计锁定主导轴的转速（每秒6.06圈），它是不会变化的。如果主导轴被磨细了，它的转速不变，但线速度就变小了，所以磁带速度会变慢。

3、PLL锁相环一定要有石英吗?
上面说过，PLL锁相环是一项通用的控制技术，不一定要用石英，使用RC震荡电路或陶瓷振子提供信号源都可以。比如这个帖子中的DIATONE M-TO1用的这种电机就是使用PLL伺服，没有用到石英。        
三菱大通（DIATONE）M-T01二头迷你小卡座
https://www.jdbbs.com/forum.php? ... 3279&fromuid=923176
(出处: 家电论坛)

4、狗仔TD-V711,721，松下RS-B755等型号的直驱机是石英锁相的机器吗?
石英锁相的机器，是指使用了QUARTZ石英，使用了PLL锁相环技术的机器，而狗仔TD-V711，松下RS-B755等机器它既没有使用PLL技术，也没有使用QUARTZ，它们用的都是陶瓷振子，所以它们既没有“石英”，也没有“锁相”，自然就不能被称为"石英锁相"，狗仔也没有称它的这类机器为石英锁相或石英伺服，但松下却在仓门上标上了大大的QUARTZ DD，松下就真的有点挂羊头卖狗肉了。这个问题在这个帖子后面有详细说明。
几种卡座无刷电机控制电路工作原理分析
https://www.jdbbs.com/forum.php? ... 2806&fromuid=923176
(出处: 家电论坛)

david-ease

图片

wwr0325

前排就坐

coffee_bean

概念清晰，文字流畅，极好的科普贴 版主快来射精。

咝咝入扣

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看完小白也变大白了

thomascd

大作，有空仔细阅读

卡友

顺顺顺

老师讲的通俗易懂，学习了，老师不是学电子专业的，也没有从事过这方面的工作，自己摸索能有这么高电子方面的学识，佩服。我也想学电子方面的知识，相关的书也买了几本，就是学的很慢

顺顺顺

不好意思，网络慢发重了，老师可以帮我删掉这楼

david-ease

谢谢楼上各位支持：）

david-ease

sony DD机用的这种空心电机，包括DD9的空心电机，其实都不是固定死的，它工作时整个电机都会活动，它通过弹簧固定在支架上，也通过弹簧来吸收振动。
另外sony早期还有一款1600B的空心电机，内部直接集成了FG线圈，所以它屁股后面会有4跟引线。

david-ease

这类空心电机的内部图，这是论坛上低温老师以前拍的照片

顺顺顺

这电机做工好精致漂亮

咝咝入扣

david-ease 发表于 2025-12-14 21:03
sony DD机用的这种空心电机，包括DD9的空心电机，其实都不是固定死的，它工作时整个电机都会活动，它通过弹 ...

这飞轮胶圈要是磨损了直接就影响抖晃指标了。照片中胶圈上的坑是长时间没运转压出来的么？